KR20150128653A - 중공 포핏 밸브 - Google Patents

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오사무 츠네이시
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니탄 밸브 가부시키가이샤
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Abstract

밸브 축부의 소직경 중공부(S2)의 축 방향 소정 위치에, 난류를 발생시키기 위한 단차부를 설치함으로써, 열방산 효과가 개선된 중공 포핏 밸브를 제공한다. 축부의 일단측에 우산부(14)를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부(14)로부터 축부(12)에 걸쳐 중공부(S)가 형성되고, 중공부(S)에 냉각재(19)가 장전된 중공 포핏 밸브(10)이며, 우산부(14) 내의 대직경 중공부(S1)에 연통되는 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2)의 축단부 근처 중공부(S21)의 내경을 우산부 근처 중공부(S22)보다 크게 하고, 소직경 중공부(S2)에 단차부(17)를 설치하고, 이 단차부(17)를 초과하는 위치까지 냉각재(19)를 장전했다. 밸브(10)의 상하 동작에 따라 냉각재(19)가 소직경 중공부(S2) 내를 이동할 때에, 단차부(17) 근방에 난류가 발생하여, 냉각재(19)의 교반을 촉진한다.

Description

중공 포핏 밸브{HOLLOW POPPET VALVE}
포핏 밸브의 우산부(傘部)로부터 축부에 걸쳐 형성된 중공부에 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브에 관한 것이다.
하기 특허문헌 1, 2 등에는, 축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 밸브의 모재보다도 열전도율이 높은 냉각재(예를 들면, 금속 나트륨, 융점 약 98℃)가 불활성 가스와 함께 중공부에 장전된 중공 포핏 밸브가 기재되어 있다.
밸브의 중공부는 우산부 내로부터 축부 내로 연장되어 있고, 그만큼 많은 양의 냉각재를 중공부에 장전할 수 있으므로, 밸브의 열전도성(이하, 밸브의 열방산 효과라고 함)을 높일 수 있다.
즉 엔진의 구동에 의해 연소실은 고온으로 되지만, 연소실의 온도가 지나치게 높으면, 노킹이 발생하여 소정의 엔진 출력이 얻어지지 않아, 연비의 악화(엔진의 성능의 저하)로 이어진다. 그래서, 연소실의 온도를 내리기 위하여, 연소실에서 발생하는 열을 밸브를 통하여 적극적으로 열전도시키는 방법(밸브의 열방산 효과를 높이는 방법)으로서, 냉각재를 불활성 가스와 함께 중공부에 장전한 여러 중공 밸브가 제안되었다.
WO2010/041337 일본 공개특허공보 2011-179328
(발명의 개요)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
종래의 냉매 함유 중공 포핏 밸브에서는, 우산부 내의 원반 형상 대직경 중공부와 축부 내의 직선 형상 소직경 중공부 사이의 연통부가 매끄러운 곡선 영역(내경이 서서히 변하는 천이 영역)으로 구성되어 있는데, 이 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상임으로써 밸브의 개폐 동작(밸브의 축 방향으로의 왕복 동작) 시에 냉각재(액체)가 봉입 가스와 함께 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이를 원활하게 이동할 수 있어, 밸브의 열방산 효과가 높아진다고 여겨지고 있다.
그런데, 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이의 연통부가 매끄럽게 연속되는 형상이기 때문에, 밸브의 개폐 동작에 맞추어 대직경 중공부와 소직경 중공부 사이에서 냉각재(액체)가 원활하게 이동할 수 있지만, 중공부 내의 냉각재(액체)는 상층부, 중층부, 하층부가 교반되지 않아 서로 상하 관계를 유지한 채인 상태로 축 방향으로 이동하고 있다.
이 때문에, 열원에 가까운 측의 냉각재 하층부에서의 열이 냉각재 중층부, 상층부에 적극적으로 전달되지 않아, 열방산 효과(열전도성)가 충분히 발휘되지 않는다고 하는 것을 알았다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 우산부 내의 대직경 중공부에 연통하는 직선 형상의 소직경 중공부의 축 방향 소정 위치에, 난류를 발생시키기 위한 단차부를 설치함으로써, 중공부 내의 냉각재의 교반을 촉진하여, 열방산 효과를 개선하는 중공 포핏 밸브를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명(청구항 1)에 따른 중공 포핏 밸브에서는, 축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브에 있어서,
상기 중공부는 상기 밸브 우산부 내의 대직경 중공부와, 이 대직경 중공부의 중앙부에서 대략 직교하도록 연통되는, 상기 밸브 축부 내의 직선 형상의 소직경 중공부를 구비하고,
상기 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부의 내경을 상기 밸브 우산부 근처 소직경 중공부의 내경보다도 크게 형성하고, 상기 소직경 중공부 내의 축 방향 소정 위치에 둥근 고리 형상(圓環狀)의 단차부를 설치함과 아울러, 상기 단차부를 넘어간 위치까지 상기 냉각재를 장전하도록 구성했다.
(작용)
밸브의 개폐 동작(상하 방향의 동작)에 따라, 냉각재는 중공부 내를 축 방향으로 이동한다. 그리고, 밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브가 하강할 때)는, 중공부 내의 냉각재(액체)에 관성력이 상향으로 작용하기 때문에, 냉각재(액체)는 소직경 중공부 내를 상방으로 이동하는데, 내경이 작은 밸브 우산부 근처의 소직경 중공부로부터 내경이 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부로 이동할 때에, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 단차부의 하류측에서 난류(F9)가 발생하여, 소직경 중공부 내의 냉각재가 교반된다.
한편, 밸브가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브가 상승할 때)는, 밸브 열림 동작에 의해 소직경 중공부 내를 상방으로 일단 이동한 냉각재(액체)에 관성력이 하향으로 작용하기 때문에, 냉각재(액체)는 소직경 중공부 내를 하방으로 이동하는데, 내경이 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부로부터 내경이 작은 밸브 우산부 근처의 소직경 중공부로 이동할 때에, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 둥근 고리 형상의 단차부의 하류측에서 난류(F10)가 발생하여, 소직경 중공부 내의 냉각재가 교반된다.
이와 같이, 밸브의 개폐 동작(상하 방향의 동작)에 따라, 냉각재가 소직경 중공부 내를 축 방향으로 이동할 때에 단차부의 근방에 발생하는 난류가 소직경 중공부 내의 냉각재를 교반하고, 이것에 의해 중공부 내 전체의 냉각재의 적어도 상층부가 교반되어, 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 활발하게 된다.
청구항 2에서는, 청구항 1에 기재된 중공 포핏 밸브에 있어서, 상기 소직경 중공부 내의 단차부는, 상기 밸브를 엔진의 연소실로 개구되는 배기 통로 또는 흡기 통로에 배열 설치했을 때에, 상기 배기 통로 또는 흡기 통로 내측으로 되지 않는 소정 위치에 설치하도록 구성했다.
(작용)
금속의 피로 강도는 고온으로 될수록 저하되기 때문에, 항상 배기 통로(또는 흡기 통로) 내에서 고열에 노출되는 부위인, 밸브 축부에서의 밸브 우산부 근처의 영역은 피로 강도의 저하에 견딜 수 있을 정도의 두께로 형성할 필요가 있다. 한편, 열원으로부터 떨어지고, 게다가 항상 밸브 가이드에 슬라이딩하는 부위인, 밸브 축부에서의 축단부 근처의 영역은 냉각재를 통하여 연소실이나 배기 통로(또는 흡기 통로)의 열이 전달되지만, 전달된 열은 밸브 가이드를 통하여 즉시 실린더 헤드로 방열되기 때문에, 밸브 우산부 근처의 영역 정도의 고온으로 되지 않는다. 따라서, 밸브 축부에서의 축단부 근처 영역은, 밸브 우산부 근처의 영역보다도 피로 강도가 저하되지 않기 때문에, 얇게 형성(소직경 중공부의 내경을 크게 형성)해도, 강도적(피로에 의해 파손되는 등의 내구성)으로는 문제가 없다.
또한 축단부 근처 소직경 중공부의 내경을 크게 하면, 첫번째는 소직경 중공부 전체의 표면적(냉각재와의 접촉 표면적)이 증가하여, 밸브 축부에서의 열전달 효율이 높아진다. 두번째는 소직경 중공부 전체의 용적이 증가하여, 밸브의 총 중량을 경량화할 수 있다. 세번째는, 냉각재의 장전량을 증가시킴으로써 밸브 축부의 열방산 효과(열전도성)가 높아진다. 그리고, 소직경 중공부 내의 단차부가 밸브 우산부 근처로 될수록, 밸브의 열방산 효과가 높아지게 된다.
이 때문에, 소직경 중공부 내의 단차부는, 밸브가 완전히 열린 상태에서, 적어도 배기 통로 또는 흡기 통로 내측으로 되지 않는 소정 위치(예를 들면, 밸브 가이드의 배기 통로 또는 흡기 통로에 면하는 측의 단부에 대략 대응하는 위치)에 설치하는 것이 가장 바람직하다.
청구항 3에서는, 상기 대직경 중공부를 상기 밸브 우산부의 외형을 대략 따르는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원추대 형상으로 구성함과 아울러, 상기 밸브 축부 내에 설치한 소직경 중공부를 상기 원추대 형상의 대직경 중공부의 천장면에 대략 직교하도록 연통시켜, 상기 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때, 적어도 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심 축선 주위에 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되도록 구성했다.
(작용)
밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브가 하강할 때)에는, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재(액체)에는 관성력이 상향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부 중앙부의 냉각재에 작용하는 관성력(상향)이 대직경 중공부 주변 영역의 냉각재에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 대직경 중공부 내의 냉각재가 연통부를 통하여 소직경 중공부로 이동하려고 한다. 그러나, 연통부에는 차양 모양의 환상 단차부가 형성되어 있기 때문에, 바꾸어 말하면, 대직경 중공부의 천장면(대직경 중공부에서의 소직경 중공부의 개구 주연부)이 밸브의 중심 축선에 대하여 대략 직교하는 평면으로 구성되어 있기 때문에, 냉각재는 연통부가 매끄러운 형상으로 형성되어 있는 종래의 중공 밸브와 같이 원활하게 소직경 중공부로 이동할 수 없다.
즉 대직경 중공부 내의 냉각재에는, 상향의 관성력이 작용함으로써, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 환상 단차부(대직경 중공부의 천장면)를 따라 연통부의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)이 발생한다. 그리고, 환상 단차부를 따라 연통부의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F2)끼리가 서로 충돌하여, 연통부에서는, 대직경 중공부 바닥면측을 향하는 흐름(F3)과, 소직경 중공부(S2)의 상방을 향하는 흐름(F4)이 발생한다. 연통부에 있어서, 대직경 중공부 바닥면측을 향하는 흐름(F3)은 대직경 중공부 바닥면을 따라 반경 방향 외방으로부터 대직경 중공부 천장면측으로 돌아 들어가고, 다시, 대직경 중공부의 천장면을 따라 연통부의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)으로 된다. 한편, 연통부에서, 소직경 중공부의 상방을 향하는 흐름(F4, F5)은 도 3(a)에 도시하는 바와 같은 난류가 된다.
이와 같이, 대직경 중공부 내의 냉각재에는 화살표(F1→F2→F3→F1)로 나타내는 바와 같이, 밸브의 중심 축선의 주위에 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부의 냉각재에서는, F4, F5로 나타내는 바와 같은 난류가 발생한다.
한편, 밸브가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브가 상승할 때)는, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이, 중공부 내의 냉각재에는 관성력이 하향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부 중앙부의 냉각재에 작용하는 관성력(하향)이 대직경 중공부 주변 영역의 냉각재에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부 내의 냉각재에는, 대직경 중공부의 중앙부로부터 바닥면을 따라 반경 방향 외방을 향하는 흐름(F6)이 발생하고, 동시에, 소직경 중공부에서도 연통부를 통과하여 하방을 향하는 흐름(난류)(F7)이 발생한다. 대직경 중공부의 바닥면을 따른 흐름(F6)은 대직경 중공부의 외방으로부터 천장면측으로 돌아 들어가, 대직경 중공부(S1)의 천장면을 따른 흐름(F8)이 되고, 대직경 중공부의 중앙부에서 하방을 향하는 흐름(F6, F7)에 합류한다.
즉 대직경 중공부의 냉각재에는, 화살표(F6→F8→F6)로 나타내는 바와 같이, 밸브의 중심 축선의 주위에 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부 내의 냉각재에는, 화살표(F7)로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
이와 같이, 밸브가 개폐 동작함으로써 밸브의 중공부 내 전체의 냉각재에, 도 3(a), (b)에 도시하는 바와 같은 순환류(F1→F2→F3;F6→F8)나 난류(F4, F5, F7, F9, F10)가 형성되어, 냉각재의 상층부, 중층부, 하층부가 적극적으로 교반되기 때문에, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 현저하게 개선된다.
본원 발명에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작(상하 방향의 동작) 시에 소직경 중공부 내의 단차부 근방에 난류가 발생하여, 중공부 내의 냉각재의 적어도 상층부로부터 중층부가 교반되므로, 중공부 내의 냉각재에 의한 열전달이 활발하게 되어, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 개선되어, 엔진의 성능이 향상된다.
청구항 2에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 내구성에 영향을 주지 않는 범위에서, 밸브 축부에서의 축단부 근처의 소직경 중공부의 내경을 크게 했으므로, 밸브 축부의 열방산 효과(열전도성)가 한층 더 개선됨과 아울러, 밸브 총 중량이 경량화되어, 엔진의 성능이 한층 더 향상된다.
청구항 3에 따른 중공 포핏 밸브에 의하면, 밸브의 개폐 동작 시에, 대직경 중공부 내의 냉각재에 종방향 내측 순회의 순환류가 형성되어, 중공부 내 전체의 냉각재의 상층부, 중층부, 하층부가 적극적으로 교반되므로, 중공부 내 전체의 냉각재에 의한 열전달이 활발하게 되어, 밸브의 열방산 효과(열전도성)가 현저하게 개선되어, 엔진의 성능이 한층 더 향상된다.
도 1 본 발명의 제 1 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
도 2는 동 중공 포핏 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때의 중공부 내의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 열림 동작(하강 동작) 시의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 단면도, (b)는 밸브 닫힘 동작(상승 동작) 시의 냉각재에 작용하는 관성력을 나타내는 단면도이다.
도 3은 동 중공 포핏 밸브가 개폐 동작(축 방향으로 왕복 동작)할 때의 중공부 내의 냉각재의 움직임을 확대하여 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면이고, (b)는 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때의 냉각재의 움직임을 나타내는 도면이다.
도 4는 동 중공 포핏 밸브의 제조 공정을 나타내는 도면으로, (a)는 밸브 중간품인 셸을 단조하는 열간 단조 공정을 나타내고, (b)는 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 축부에 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내고, (c)는 축단부 근처의 소직경 중공부에 상당하는 구멍을 뚫는 구멍 뚫기 공정을 나타내고, (d)는 축단 부재를 축 접속하는 축 접속 공정을 나타내고, (e)는 소직경 중공부에 냉각재를 충전하는 공정을 나타내며, (f)는 불활성 가스 분위기하에서 우산부 외각의 오목부(대직경 중공부)의 개구부에 캡을 용접하는 공정(대직경 중공부 밀폐 공정)을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예인 중공 포핏 밸브의 종단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
다음에 본 발명의 실시형태를 실시예에 기초하여 설명한다.
도 1∼도 4는 본 발명의 제 1 실시예인 내연 기관용의 중공 포핏 밸브를 나타낸다.
이들 도면에서, 부호 10은 똑바로 뻗는 축부(12)의 일단측에, 외경이 서서히 커지는 곡면 형상의 필릿부(13)를 통하여, 우산부(14)가 일체로 형성된 내열 합금제의 중공 포핏 밸브에서, 우산부(14)의 외주에는, 테이퍼 형상의 페이스부(16)가 설치되어 있다.
상세하게는, 원통 형상의 축부(12a)의 일단측에 우산부 외각(14a)이 일체로 형성된 밸브 중간품인 축 일체형 셸(이하, 단지 셸이라고 함)(11)(도 1, 4 참조)과, 셸(11)의 축부(12a)에 축 접속된 축단 부재(12b)와, 셸(11)의 우산부 외각(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)에서의 개구부(14c)에 용접된 원반 형상의 캡(18)에 의하여, 우산부(14)로부터 축부(12)에 걸쳐 중공부(S)가 설치된 중공 포핏 밸브(10)가 구성되고, 중공부(S)에는, 금속 나트륨 등의 냉각재(19)가 아르곤 가스 등의 불활성 가스와 함께 장전되어 있다. 냉각재(19)의 장전량은 많은 편이 열방산 효과가 우수하지만, 소정량 이상에서는 열방산 효과로서의 차가 미미하게 되기 때문에, 비용대효과(냉각재(19)가 많으면, 비용도 드는 것)을 고려하여, 예를 들면, 중공부(S)의 용적의 약 1/2∼약 4/5의 양이 장전되어 있으면 좋다.
또한, 도 1에서의 부호 2는 실린더 헤드이고, 부호 6은 연소실(4)로부터 뻗는 배기 통로이며, 배기 통로(6)의 연소실(4)로의 개구 주연부에는, 밸브(10)의 페이스부(16)가 맞닿는 테이퍼면(8a)을 구비한 둥근 고리 형상의 밸브 시트(8)가 설치되어 있다. 부호 3은 실린더 헤드(2)에 설치된 밸브 삽입통과 구멍이며, 밸브 삽입통과 구멍(3)의 내주면은 밸브(10)의 축부(12)가 슬라이딩 접촉하는 밸브 가이드(3a)로 구성되어 있다. 부호 9는 밸브(10)를 밸브 닫힘 방향(도 1 상방향)으로 탄성 가압하는 밸브 스프링, 부호 12c는 밸브 축단부에 설치한 코터 홈이다.
또한 연소실(4)이나 배기 통로(6)의 고온 가스에 노출되는 부위인, 셸(11) 및 캡(18)은, 내열강으로 구성되어 있는 것에 반해, 기계적 강도가 요구되지만, 셸(11) 및 캡(18) 정도의 내열성이 요구되지 않는 축단 부재(12b)는 일반 강재로 구성되어 있다.
또한 밸브(10) 내의 중공부(S)는 밸브 우산부(14) 내에 설치된 원추대 형상의 대직경 중공부(S1)와, 밸브 축부(12) 내에 설치된 직선 형상(막대 형상)의 소직경 중공부(S2)가 직교하도록 연통하는 구조이며, 대직경 중공부(S1)의 원형 천장면(소직경 중공부(S1)의 개구 주연부인 우산부 외각(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)은 밸브(10)의 중심 축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있다.
즉 대직경 중공부(S1)에서의 소직경 중공부(S2)와의 연통부(P)에는, 선행문헌 1, 2와 같은 매끄러운 형상 대신에, 대직경 중공부(S1)측에서 보아 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있고, 이 환상 단차부(15)의 대직경 중공부(S1)에 면하는 측(면)(14b1)이 밸브(10)의 중심 축선(L)에 대하여 직교하는 평면으로 구성되어 있다. 바꾸어 말하면, 소직경 중공부(S2)의 개구 주연부(우산부 외각(14a)의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면)(14b1)와, 소직경 중공부(S2)의 내주면에 의해, 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있다.
또한 소직경 중공부(S2)는 밸브 축단부 근처의 내경이 비교적 큰 소직경 중공부(S21)와, 밸브 우산부(14) 근처의 내경이 비교적 작은 소직경 중공부(S22)로 구성되고, 소직경 중공부(S21)와 소직경 중공부(S22) 사이에는, 둥근 고리 형상의 단차부(17)가 형성됨과 아울러, 단차부(17)를 넘어간 위치까지 냉각재(19)가 장전되어 있다.
이 때문에, 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 도 3(a), (b)의 화살표(F1→F2→F3;6→F8)로 나타내는 바와 같이, 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되고, 동시에, 소직경 중공부(S2) 내의 대직경 중공부(S1) 근방의 냉각재(19)에는, 화살표(F4, F5, F7)로 나타내는 바와 같이, 난류가 형성되고, 또한 둥근 고리 형상의 단차부(17) 근방의 냉각재(19)에는 도 3(a), (b)의 화살표(F9, F10)로 나타내는 바와 같이 난류가 형성된다.
즉 밸브(10)의 개폐 동작시에, 중공부(S) 내 전체의 냉각재(19)에 형성되는 순환류(대류)나 난류에 의해, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 하층부, 중층부, 상층부가 적극적으로 교반되게 되어, 밸브(10)에서의 열방산 효과(열전도성)가 대폭 개선되고 있다.
특히, 본 실시예에서는, 대직경 중공부(S1)의 원형 천장면(원추대의 상면)(14b1)과 그 외주면(원추대의 외주면)(14b2)이 둔각을 이루므로, 밸브(10)가 개폐 동작할 때에, 대직경 중공부(S1)의 반경 방향 외방으로부터 대직경 중공부(S1)의 천장면을 따라 연통부(P)를 향하는 냉각재(19)의 흐름(도 3(a)의 F1, F2 및 도 3(b)의 F8)의 발생이 원활하게 되는 만큼, 대직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에 형성되는 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 활발하게 되므로, 중공부(S) 내의 냉각재(19)의 교반이 그만큼 촉진되어, 밸브(10)에서의 열방산 효과(열전도성)가 현저하게 개선되게 된다.
다음에 밸브(10)가 개폐 동작할 때의 냉각재의 움직임을 도 2, 3에 기초하여 상세하게 설명한다.
밸브(10)가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브(10)가 하강할 때)는, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 중공부(S) 내의 냉각재(액체)(19)에 관성력이 상향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부(S1) 중앙부의 냉각재(19)에 작용하는 관성력(상향)이 대직경 중공부(S1) 주변 영역의 냉각재(19)에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)가 연통부(P)를 통하여 소직경 중공부(S2)로 이동하려고 한다. 그러나, 연통부(P)에는 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성되어 있기 때문에, 연통부가 매끄러운 형상으로 형성되어 있는, 선행문헌에 개시하는 종래의 중공 밸브와 같이 원활하게 소직경 중공부(S2)측으로 이동할 수 없다.
즉 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 상향의 관성력이 작용함으로써 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 둥근 고리 형상의 단차부(15)(대직경 중공부(S1)의 천장면(14b1))를 따라 연통부(P)의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)이 형성된다. 그리고, 환상 단차부(15)를 따라 연통부(P)의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F2)끼리 서로 충돌하여, 연통부(P)에서는, 대직경 중공부(S1) 바닥면측을 향하는 흐름(F3)과, 소직경 중공부(S2)의 상방을 향하는 흐름(F4)이 발생한다.
연통부(P)에서, 대직경 중공부(S1) 바닥면측을 향하는 흐름(F3)은 대직경 중공부(S1) 바닥면을 따라 반경 방향 외방으로부터 대직경 중공부(S1) 천장면에 돌아 들어가고, 다시, 대직경 중공부(S1)의 천장면을 따라 연통부(P)의 중심(반경 방향 내측)을 향하는 흐름(F1, F2)으로 된다. 한편, 연통부(P)에서, 소직경 중공부(S2)의 상방을 향하는 흐름(F4, F5)은 도 3(a)에 도시하는 바와 같은 난류가 된다.
이와 같이, 밸브(10)가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브(10)가 하강할 때)는, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 화살표(F1→F2→F3→F1)로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)의 중심 축선(L)의 주위에 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에는 F4, F5로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
또한, 밸브가 밸브 닫힘 상태로부터 밸브 열림 상태로 이행할 때(밸브(10)가 하강할 때)는, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)는, 상향으로 작용하는 관성력에 의해, 소직경 중공부(S2) 내를 상방으로 이동하지만, 내경이 작은 밸브 우산부(14) 근처의 소직경 중공부(S22)로부터 내경이 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부(S21)로 이동할 때에, 도 3(a)에 도시하는 바와 같이, 단차부(17)의 하류측에서 난류(F9)가 형성된다.
한편, 밸브(10)가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브(10)가 상승할 때)는, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이, 중공부(S) 내의 냉각재(19)에는 관성력이 하향으로 작용한다. 그리고, 대직경 중공부(S1) 중앙부의 냉각재(19)에 작용하는 관성력(하향)이 대직경 중공부(S1) 주변 영역의 냉각재(19)에 작용하는 관성력보다도 크기 때문에, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 대직경 중공부(S1)의 중앙부로부터 바닥면을 따라 반경 방향 외방을 향하는 흐름(F6)이 발생하고, 동시에, 소직경 중공부(S2)에서도 연통부(P)를 통과하여 하방을 향하는 흐름(난류)(F7)이 발생한다. 대직경 중공부(S1)의 바닥면을 따른 흐름(F6)은 대직경 중공부(S1)의 외방으로부터 천장면측으로 돌아 들어가고, 대직경 중공부(S1)의 천장면에 따른 흐름(F8)이 되고, 대직경 중공부(S1)의 중앙부(연통부(P))에서 하방을 향하는 흐름(F6, F7)에 합류한다.
즉 대직경 중공부(S1) 내의 냉각재(19)에는, 화살표(F6→F8→F6)로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)의 중심 축선(L)의 주위에 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되고, 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)에는, 화살표(F7)로 나타내는 바와 같은 난류가 형성된다.
또한, 밸브(10)가 밸브 열림 상태로부터 밸브 닫힘 상태로 이행할 때(밸브(10)가 상승할 때)는, 밸브 열림 동작에 의해 소직경 중공부(S2) 내측 상방으로 일단 이동한 냉각재(액체)(19)에 관성력이 하향으로 작용하기 때문에, 냉각재(19)는 소직경 중공부(S2) 내를 하방으로 이동하지만, 내경이 큰 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부(S21)로부터 내경이 작은 밸브 우산부 근처의 소직경 중공부(S22)로 이동할 때에, 도 3(b)에 도시하는 바와 같이, 단차부(17)의 하류측에서 난류(F10)가 형성된다.
이와 같이 하여, 밸브(10)의 개폐 동작 시에, 중공부(S) 내 전체의 냉각재(19)에 형성되는 대류(순환류)나 난류에 의해, 중공부(S) 내의 냉각재(19) 전체가 적극적으로 교반되어, 밸브(10)에서의 열방산 효과(열전도성)가 대폭 개선되고 있다.
또한 소직경 중공부(S) 내의 단차부(17)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 밸브 가이드(3)의 배기 통로(6)에 면하는 측의 단부(3b)에 대략 대응하는 위치에 설치되고, 내경이 큰 축단부 근처 소직경 중공부(S21)를 축 방향으로 길게 형성함으로써, 밸브(10)의 내구성을 저하시키지 않고, 밸브 축부(12)의 냉각재(19)와의 접촉 면적이 증가하여, 밸브 축부(12)의 열전달 효율이 높아져, 소직경 중공부(S21) 형성 벽이 얇아지고, 밸브(10)도 경량으로 된다. 즉 소직경 중공부(S) 내의 단차부(17)는, 도 1의 가상선으로 나타내는 바와 같이, 밸브(10)가 완전히 열린 상태에서, 배기 통로(6) 내로 되지 않는 소정 위치(밸브 축부(12)에서의 박육(薄肉)의 소직경 중공부(S21) 형성 벽이 배기 통로(6) 내의 열의 영향을 받기 어려운 소정 위치)에 설치되어 있다. 도 1의 부호 17X는 밸브(10)가 완전히 열린 상태에서의 단차부(17)의 위치를 나타낸다.
상세하게는, 금속의 피로 강도는 고온으로 될수록 저하되기 때문에, 항상 배기 통로(6) 내에서 고열에 노출되는 부위인, 밸브 축부(12)에서의 밸브 우산부(14) 근처의 영역은 피로 강도의 저하에 견딜 수 있을 정도의 두께로 형성할 필요가 있다. 한편, 열원으로부터 떨어지고, 게다가 항상 밸브 가이드(3a)에 슬라이딩 접촉하는 부위인, 밸브 축부(12)에서의 축단부 근처의 영역은 냉각재(19)를 통하여 연소실(4)이나 배기 통로(6)의 열이 전달되지만, 전달된 열은 밸브 가이드(3a)를 통하여 즉시 실린더 헤드(2)로 방열되기 때문에, 밸브 우산부(14) 근처의 영역 정도의 고온으로 되지 않는다.
즉 밸브 축부(12)에서의 축단부 근처 영역은, 밸브 우산부(14) 근처의 영역보다도 피로 강도가 저하되지 않기 때문에, 얇게 형성(소직경 중공부(S21)의 내경을 크게 형성)해도, 강도적(피로에 의해 파손되는 등의 내구성)으로는 문제가 없다.
그래서, 본 실시예에서는, 단차부(17)의 위치를, 밸브(10)가 완전히 열린(하강) 상태에서 배기 통로(6) 내측으로 되지 않는, 가능한 한 하방의, 밸브 가이드(3)의 하단부(3b)에 대략 대응하는 위치로 함과 아울러, 소직경 중공부(S21)의 내경을 크게 형성하여, 첫 번째로는, 소직경 중공부(S2) 전체의 표면적(냉각재(19)와의 접촉 면적)을 증가시킴으로써 밸브 축부(12)에 있어서의 열전달 효율이 향상시켜져 있다. 두 번째는, 소직경 중공부(S21) 전체의 용적을 증가시킴으로써 밸브(10)의 총 중량이 경량화되어 있다.
다음에 중공 포핏 밸브(10)의 제조 공정을 도 4에 기초하여 설명한다.
우선, 도 4(a)에 도시하는 바와 같이, 열간 단조 공정에 의해, 원추대 형상의 오목부(14b)를 설치한 우산부 외각(14a)과 축부(12a)를 일체로 형성한 셸(11)을 성형한다. 우산부 외각(14a)에서의 원추대 형상의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)은 축부(12)(셸(11)의 중심 축선(L))에 대하여 직교하는 평면으로 형성되어 있다.
열간 단조 공정으로서는, 금형을 차례차례 교체하는 압출 단조로 내열 강제 금속 블록으로부터 셸(11)을 제조하는 압출 단조, 또는 업세터로 내열 강제 봉재의 단부에 구 형상부를 업세팅한 후에, 금형을 사용하여 셸(11)(의 우산부 외각(14a))을 단조하는 업세팅 단조의 어느 것이어도 된다. 또한, 열간 단조 공정에서, 셸(11)의 우산부 외각(14a)과 축부(12a) 사이에는, 곡면 형상 필릿부(13)가 형성되고, 우산부 외각(14a)의 외주면에는 테이퍼 형상 페이스부(16)가 형성된다.
다음에 도 4(b)에 도시하는 바와 같이, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)가 상향이 되도록 셸(11)을 배치하고, 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 바닥면(14b1)으로부터 축부(12)에 걸쳐 소직경 중공부(S22)에 상당하는 구멍(14e)을 드릴 가공에 의해 뚫어 설치한다(구멍 뚫기 공정).
구멍 뚫기 공정에 의해, 대직경 중공부(S1)를 구성하는 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)와, 소직경 중공부(S22)를 구성하는 축부(12a) 측의 구멍(14e)이 연통함으로써, 오목부(14b)와 구멍(14e)의 연통부에는, 오목부(14b)측에서 보아 차양 모양의 환상 단차부(15)가 형성된다.
다음에 도 4(c)에 도시하는 바와 같이, 셸(11)의 축단부측으로부터, 소직경 중공부(S21)에 상당하는 구멍(14f)을 드릴 가공에 의해 뚫어 설치한다(구멍 뚫기 공정).
다음에 도 4(d)에 도시하는 바와 같이, 셸(11)의 축단부에 축단 부재(12b)를 축 접속한다(축단 부재 축 접속 공정).
다음에 도 4(e)에 도시하는 바와 같이, 셸(11)의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 구멍(14e)에 냉각재(고체)(19)를 소정량 삽입한다(냉각재 장전 공정).
최후에, 도 4(f)에 도시하는 바와 같이, 아르곤 가스 분위기하에서, 셸(11)의 우산부 외각(14a)의 오목부(14b)의 개구부(14c)에 캡(18)을 용접(예를 들면, 저항 용접)하여, 밸브(10)의 중공부(S)를 밀폐한다(중공부 밀폐 공정). 또한, 캡(18)의 용접은, 저항 용접 대신에, 전자 빔 용접이나 레이저 용접 등을 채용해도 된다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예인 중공 포핏 밸브를 나타낸다.
상기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)에서는, 밸브 우산부(14) 내의 대직경 중공부(S1)가 원추대 형상으로 구성됨과 아울러, 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2)가 대직경 중공부(S1)의 원형의 천장면에 직교하도록 연통되어 있지만, 이 제 2 실시예의 중공 포핏 밸브(10A)에서는, 밸브 축부(12) 내의 소직경 중공부(S2)가 선행 특허문헌 1, 2와 마찬가지로, 매끄러운 곡선 영역(내경이 서서히 변하는 천이 영역)(X)을 통하여 밸브 우산부(14) 내의 대략 원추 형상의 대직경 중공부(S1')에 연통되어 있다.
즉 부호 11A는 원통 형상의 축부(12a)의 일단측에 우산부 외각(14a')이 일체로 형성된 밸브 중간품인 셸이며, 셸(11A)의 우산부 외각(14a')에는, 축부(12a) 내의 소직경 중공부(S2)에 매끄럽게 연통되는 대직경 중공부(S1')를 형성하는 대략 원추 형상의 오목부(14b')가 설치되어 있다.
그 외는 전기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)와 동일하며, 동일한 부호를 붙임으로써, 그 중복된 설명은 생략한다.
이 중공 포핏 밸브(10A)에서도, 전기한 제 1 실시예의 중공 포핏 밸브(10)와 마찬가지로, 밸브(10A)의 개폐 동작(상하 방향의 동작)에 따라, 냉각재(19)가 소직 경 중공부(S2) 내를 축 방향으로 이동할 때에 단차부(17)의 근방에 발생하는 난류(도시 생략)가 소직경 중공부(S2) 내의 냉각재(19)를 교반하고, 이것에 의해 중공부(S') 내 전체의 냉각재(19)의 적어도 상층부로부터 중층부가 교반되어, 중공부(S) 내의 냉각재(19)에 의한 열 전달이 활발하게 됨으로써 밸브(10A)의 열방산 효과가 개선되어 있다.
10, 10A 중공 포핏 밸브
11, 11A 우산부 외각과 축부를 일체로 형성한 셸
12 밸브 축부
12a 축부
12b 축단 부재
14 밸브 우산부
14a, 14a' 우산부 외각
14b, 14b' 우산부 외각의 오목부
14b1 대직경 중공부의 원형의 천장면
14b2 우산부 외각의 원추대 형상의 오목부 내주면
15 대직경 중공부의 천장면에서의 소직경 중공부의 개구 주연부인 차양 모양의 환상 단차부
17 둥근 고리 형상의 단차부
18 캡
19 냉각재
L 밸브의 중심 축선
S, S' 중공부
S1, S1' 대직경 중공부
S2 직선 형상의 소직경 중공부
S21 축단부 근처의 소직경 중공부
S22 우산부 근처의 소직경 중공부
P 연통부
F1→F2→F3;6→F8 종방향 내측 순회의 순환류

Claims (3)

  1. 축부의 일단측에 우산부를 일체로 형성한 포핏 밸브의 우산부로부터 축부에 걸쳐 중공부가 형성되고, 상기 중공부에 불활성 가스와 함께 냉각재가 장전된 중공 포핏 밸브에 있어서,
    상기 중공부는 상기 밸브 우산부 내의 대직경 중공부와, 이 대직경 중공부의 중앙부에서 대략 직교하도록 연통되는, 상기 밸브 축부 내의 직선 형상의 소직경 중공부를 구비하고,
    상기 밸브 축단부 근처의 소직경 중공부의 내경이 상기 밸브 우산부 근처 소직경 중공부의 내경보다도 크게 형성되고, 상기 소직경 중공부 내의 축 방향 소정 위치에 둥근 고리 형상의 단차부가 설치됨과 아울러, 상기 단차부를 넘어간 위치까지 상기 냉각재가 장전된 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소직경 중공부 내의 단차부는, 상기 밸브가 엔진의 연소실로 개구되는 배기 통로 또는 흡기 통로에 배열 설치되었을 때에, 상기 배기 통로 또는 흡기 통로 내측으로 되지 않는 소정 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 대직경 중공부는 상기 밸브 우산부의 외형을 대략 따르는 테이퍼 형상의 외주면을 구비한 원추대 형상으로 구성됨과 아울러, 상기 밸브 축부 내에 설치한 소직경 중공부가 상기 원추대 형상의 대직경 중공부의 천장면에 대략 직교하도록 연통하여, 상기 밸브가 축 방향으로 왕복 동작할 때, 적어도 상기 대직경 중공부 내의 냉각재에 상기 밸브의 중심 축선 주위에 종방향 내측 순회의 순환류(대류)가 형성되는 것을 특징으로 하는 중공 포핏 밸브.
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